Сигналы передаются изменениями в среде. Средой для передачи сигнала могут быть металлические провода, волоконно-оптические световоды, радиоэфир… хоть водная поверхность. Забросьте поплавок, подергайте удочку - и по воде пойдут круги, которые можно использовать для передачи информации. Кто-то другой забросит свою удочку, начнет следить за колебаниями поплавка - и получит отправленный вами сигнал. В теории…

На практике же появятся сложности. Во-первых, отправитель должен быть один. Если их больше, то до получателей дойдут не все сигналы разом (что было бы даже интересно), а их сумма, результат наложения друг на друга, в котором сигналы будут друг друга искажать. Во-вторых, волны могут отражаться от берегов и интерферировать сами с собой. В-третьих, в каждой среде свои скорость прохождения, расстояния и степень затухания сигнала и для воды эти показатели очень плохи. А в-четвертых, всем участникам информационного обмена надо договориться между собой, что считать сигналом и как его отличить от шума, случайных колебаний.

Все это справедливо и для любой среды, поэтому «нельзя просто взять и…»¹⁾ спаять в единый клубок провода или световоды и получить единую среду для обмена информацией. Вернее, спаять-то можно, и это даже будет как-то работать. Но тут лучше перейти к другой аналогии и рассмотреть в качестве единой среды передачи информации, к которой подключены все участники, радиоэфир.

Все слушают эфир, потом кто-то нажимает тангенту ²⁾, произносит фразу, добавляет «прием!» и отключается, возвращаясь к прослушиванию эфира. Нельзя передавать и получать сигналы одновременно. Нельзя одновременно говорить нескольким участникам. Поэтому говорит кто-то один, а все слушают. Паузы между сообщениями и слово «прием!» дает все понять, что можно говорить.

В случае с радиоэфиром, отправитель и получатель могут выбрать отдельную частоту и общаться без помех и никому не мешая - хоть голосом, хоть морзянкой. Но при этом они используют не радиоэфир как таковой, а отдельную частоту, отсекая все остальные частотными фильтрами. Но «это совсем другая история», физика радио - все эти несущие частоты, амплитудная и частотная модуляции, характеристики и поведение волн разных частотных диапазонов - очень интересна, но к компьютерным сетям почти не имеет отношения.

В случае с радиоэфиром можно выбрать отдельную частоту и общаться с собеседником без помех - хоть голосом, хоть морзянкой. Но это тупиковый путь, потому что даже «порезав» весь доступный эфир на частотные диапазоны, мы получим сравнительно мало «каналов», не говоря уже о том, что в погоне за скоростью мы упремся в диапазон СВЧ, где наши сетевые устройства просто начнут выжигать вокруг себя все живое.

Как бы то ни было, идея «общая среда только для отправители и получателя» самая правильная. Условный «провод», соединяющий отправителя и получателя.

Исходя из представления о сети, как о множестве участников и прямых соединений между ними, мы можем представить их в виде графа и построить одну из нескольких топологий.

Полносвязная топология - это граф, в котором между любыми двумя узлами есть прямая связь. Технически это означает, что у каждого участника сети должны быть столько физических подключений (проводов), чтобы обеспечить соединение со всеми остальными. И тогда общение любого узла с любым сводится к выбору правильного провода.

Вот только сколько физических разъемов нужно для общения со всеми участниками сети? Сколько проводки? Количество повторяющихся устройств для приему-получения информации будет неоправданно большим, а количество участников обмена - неоправданно маленьким. В общем, идея так себе.

В кольцевой топологии у каждого участника два подключения - по одному он передаем сигналы, по другому получает. Вся сеть организуется в кольцо так, чтобы передатчик одного устройства приходит на приемник другого. Сигналы в таком кольце будут ходить строго в одну сторону, вся сеть будет получать сигналы от каждого участника, но в случае отключение любого участника сеть перестанет функционировать.

В этой топологии все устройства подключены к одному «проводу». Любая станция может отправить сигнал или получить сигнал. Но не одновременно. Когда кто-то передает сигнал, остальные слушают.

Такая сеть не зависит от количества устройств, но при разрыве кабеля, играющего роль шины, сеть остановится.

В этой топологии все устройства подключаются к коммутатору. Коммутатор, получающий сигнал от любого устройства, отправляет его всем остальным. В качестве любого из устройств может быть другой коммутатор, который находится в центре своей «звезды». Таким образом, сигнал доходит до всех участников сети.

На этом уровне сигналы передаются изменениями в среде. Частота, амплитуда, фаза, модуляция - конкретный вид передачи сигнала определяется в каждом конкретном случае и ему должны следовать все подключенные устройства, чтобы уметь передавать сигналы и принимать их от других.

В случае с радиоэфиром можно выбрать отдельную частоту и общаться с собеседником без помех - хоть голосом, хоть морзянкой. С другим собеседником - другую частоту, и так далее. Но это не совместное использование общей среды, как это кажется на первый взгляд, это раздельное использование радиочастот. Без использования частотного фильтра вы услышите все радиостанции мира разом - и не получите ничего. Только белый шум, не несущий никакой информации.

Мысль интересная - в том числе и тем, что разделение частотных диапазонов можно организовать не только в радиоэфире, но и в проводной или даже оптической среде. Используем несущую частоту, модулируем ее нужным сигналом - и наша единая среда распадается на множество «каналов», разделенных частотным фильтром. Для каждой пары участников используется свой «канал» - и готово!

Но в амплитудно- или частотно-модулированной передаче информации скорость зависит от частоты несущей волны и в погоне за скоростью мы упремся в диапазон СВЧ, где наши сетевые устройства начнут выжигать вокруг себя все живое, даже близко не достигнув скоростей, комфортных для просмотра видео с YouTube хотя бы в качестве 720p. При этом разные каналы будут занимать разные частоты - то есть будут обладать разной скоростью и расстоянием передачи информации. Будет ли настолько разнородная сеть эффективной - вопрос праздный, потому что эту затею бросили практически сразу и мы не знаем, что могло бы из нее выйти. Существующие радиорелейные сети ближе к «проводному» устройству и не используют частотного разделения.

На этом уровне устройства работают в двоичной системе - то есть работают с двумя сигналами. Передать по металлическому проводу 0 и 1 так же просто, как и работать с ключом Морзе. Есть ток в интервале времени - это 1, нет тока - 0. Чем меньше интервалы времени, тем быстрее передается информация. Пределы скорости для металлических проводов, радиоэфира и оптических световодов разные и на них влияют внешние факторы - шум и затухание сигнала.

Каждый сигнал получают все устройства, подключенные к среде передачи информации, но если провода нескольких устройств просто спаять в единый клубок, весь информационный обмен рассыпется. Способ, основанный на том, что ток в цепи управляется передающим информацию, а принимающий просто считывает изменения, при параллельном электрическом соединении увеличит только количество принимающих информацию. Если другие устройства тоже будут замыкать и размыкать ток в цепи, 1 будет фиксироваться только а том случае, когда все участники цепи одновременно передадут 1, а во всех остальных случаях будет 0.

—

Средой для передачи информации могут быть металлические провода, волоконно-оптические световоды, радиоэфир… Все, что угодно - хоть водную гладь озера. Кстати, хороший пример - давайте пока не нем и остановимся.

Отправлять сигнал в такой необычной среде можно просто подергивая удочку, порождая при «круги на воде». Получателю сообщения при этом достаточно наблюдать за колебаниями собственного поплавка на «чужой» волне. Стоит только договориться о частоте передачи сигнала (скажем, раз в секунду будет или волна или ее отсутствие) - и у нас уже есть двоичный канал связи.

Однако, в случае с радиоэфиром можно выбрать отдельную частоту и общаться с собеседником без помех - хоть голосом, хоть морзянкой. С другим собеседником - другую частоту, и так далее. Вы будете использовать отдельную частоту для каждого. Но это не совместное использование радиоэфира, как может показаться на первый взгляд, это раздельное использование радиочастот. Без использования частотного фильтра вы услышите все радиостанции разом - то есть белый шум, не несущий никакой полезной информации.

Мысль интересная - в том числе и тем, что разделение частотных диапазонов можно организовать не только в радиоэфире, но и в проводной или даже оптической среде. Но в амплитудно- или частотно-модулированной передаче информации скорость зависит от частоты несущей волны и в погоне за скоростью мы упремся в диапазон СВЧ, где наши сетевые устройства начнут выжигать вокруг себя все живое, даже близко не достигнув скоростей, комфортных для просмотра видео с YouTube хотя бы в качестве 720p. При этом разные каналы будут занимать разные частоты - с разной скоростью и разным расстоянием передачи информации. Будет ли настолько разнородная сеть эффективной - вопрос праздный, потому что эту затею бросили практически сразу и мы не знаем, что могло бы из нее выйти. Существующие радиорелейные сети ближе к «проводному» устройству и не использую частотного разделения.

Исходя из представления о сети, как о множестве участников и прямых соединений между ними, мы можем представить их в виде графа и построить одну из нескольких топологий.

Полносвязная топология - это граф, в котором между любыми двумя узлами есть прямая связь. Технически это означает, что у каждого участника сети должны быть столько физических подключений (проводов), чтобы обеспечить соединение со всеми остальными. И тогда общение любого узла с любым сводится к выбору правильного провода.

Точно так же можно соединить между собой все компьютеры, чтобы у каждой пары был свой собственный провод для информационного обмена. Компьютеры образуют полносвязный граф. И все вроде бы хорошо, но для такой сети потребуется неоправданно много проводки и разъемов для подключения каждого компьютера. Поэтому, от такой топологии отказались почти сразу.

При использовании одного канала «говорить» должен кто-то один. Это как с радиостанциями: нажал тангенту³⁾, сказал фразу, добавил «прием!» и перешел на прослушивание эфира. Это и есть полудуплексная связь. В дуплексной связи (например, при использование мобильного телефона) говорить можно одновременно. Это дуплексная связь и для нее обычно создается два канала (два частотного диапазона), который для одного из собеседников является каналами передачи и приему, а для другого - приему и передачи, в обратном порядке.